Forecast of potentially dangerous rock pressure manifestations in the mine roadways by using information technology and radiometric control methods

Abstract

Purpose. To reduce risk of emergency and injury-risk situations while improving the methods for predicting stress-strain state of the rock mass with the help of information systems, and to detect fissure locations in the mine roadways with the help of radiometric control. Methods. Analysis and generalization of experimental data; mathematical modeling of geomechanical and filtration processes by means of the finite element method; underground investigations of changes in activity of α-radiation of certain radon-isotope in the atmosphere of the mine roadways using standard methods as well as radiometric control equipment; and statistical processing of measurement results. Findings. Ratios, determining correlation between parameters of geomechanical process (i.e. fracture porosity, inclination angles of the fracture networks and their strike) and parameters of gas- dynamic process (i.e. intensity, gas flow rates and direction of gas travel) have been obtained. A mathematical model based on the finite element method is proposed in which a reasonable assumption is made that deformation of the pore medium is equal to the varied volume of the pore and fracture area. In the context of the model, deviation part of the strain tensor determines changes in the shape of the rock mass elements during disintegration. Spherical part of the strain tensor characterizes changes in volume and permeability of the pore and fracture area; it is determined by a value of minimum principal strains of the model elements. Parameters of the pore and fracture area location, volume and permeability were substantiated in the rock mass. The mine investigations have helped determine that within the areas of geological dislocations, concentration of radon daughter decay product of alpha-radiation polonium (Po218) experiences more that 2 – 4 times increase in relation to the roadway average value. On the basis of the criterion, it is proposed to use radiation monitoring of the mine roadways to identify areas of newly formed fracture systems resulting from fracture system deformation as one of the elements of method for the integrated control of the rock mass state. Originality. For the first time, regularities of changes in the pore and fracture area shape and volume at different stages of the adjacent longwall mining have been determined basing on parameters of technogenic fracture system orientation and spherical part of the strain tensor. The method of controlling the safe state of rocks has been further developed; it differs in the use of the determined ratios between changes in fracture system parameters and changes in α-radiation activity of some radon isotopes, methane concentrations and their correlation. Practical implications. The research results have been applied for the development of analytical and experimental approach to control safety of production environment in mines.

Мета. Знизити ризики виникнення аварійних і травмонебезпечних ситуацій в шахтах шляхом вдосконалення методів прогнозу напружено-деформованого стану масиву порід із використанням інформаційних систем та виявлення локацій тріщин у гірничих виробках методом радіометричного контролю. Методика. Аналіз і узагальнення експериментальних даних; математичне моделювання геомеханічних і фільтраційних процесів методом скінченних елементів; шахтні дослідження змін активності α-випромінювань окремих ізотопів радону в атмосфері гірничих виробок стандартними методами та апаратурою радіометричного контролю; статистична обробка результатів вимірювань. Результати. Отримані співвідношення, що встановлюють взаємозв’язки параметрів геомеханічного процесу (тріщиною пористістю, кутами падіння і простягання систем тріщин) з параметрами газодинамічного процесу (інтенсивністю, витратами та напрямком переміщення газів). Запропоновано математичну модель на базі методу скінченних елементів, в якій прийнято обґрунтоване припущення, що деформація пористого середовища дорівнює зміні об’ємів порово-тріщинного простору. У моделі девіаторна частина тензора деформацій визначає зміни форми елементів породного масиву в процесі руйнування. Кульова частина тензора деформацій характеризує зміни об’єму і проникності порово-трещинного простору та визначається величиною мінімальних головних деформацій елементів моделі. Обґрунтовані параметри розташування, об’ємів і проникності порово-тріщинного простору в масиві порід. Шахтними дослідженнями встановлено, що в місцях дислокації геологічних порушень концентрація дочірнього продукту розпаду радону α-випромінювання полонію (Po218) зростає більш ніж в 2 – 4 рази по відношенню до середнього по виробці значення. На базі вказаного критерію запропоновано використовувати радіометричний моніторинг гірничих виробок для виявлення локацій новоутворених в процесі деформування систем тріщин в якості одного з елементів методу комплексного контролю стану породного масиву. Наукова новизна. Вперше на базі параметрів орієнтації систем тріщин техногенного походження й кульової частини тензора деформацій встановлені закономірності змін форми та об’ємів порово-тріщинного простору на різних етапах відпрацювання суміжних лав. Подальший розвиток отримав метод контролю безпечного стану гірських порід, який відрізняється використанням встановлених взаємозв’язків між змінами параметрів систем тріщин та змінами активності α-випромінювань окремих ізотопів радону, концентрацій метану і їх співвідношень. Практична значимість. Наукові результати використані при розробці аналітико-експериментального методу контролю безпеки виробничого середовища шахт.

Цель. Снизить риски возникновения аварийных и травмоопасных ситуаций в шахтах путем совершенствования методов прогноза напряженно-деформированного состояния массива пород с использованием информационных систем и выявления локаций образовавшихся трещин в горных выработках методом радиометрического контроля. Методика. Анализ и обобщение экспериментальных данных; математическое моделирование геомеханических и фильтрационных процессов методом конечных элементов; шахтные исследования изменений активности α-излучений отдельных изотопов радона в атмосфере горных выработок стандартными методами и аппаратурой радиометрического контроля; статистическая обработка результатов измерений. Результаты. Получены соотношения, устанавливающие взаимосвязи параметров геомеханического процесса (трещинной пористостью, углами падения и простирания систем трещин) с параметрами газодинамического процесса (интенсивностью, расходами и направлением перемещения газов). Предложена математическая модель на базе метода конечных элементов, в которой принято обоснованное допущение, что деформация пористой среды равна изменению объема порово-трещинного пространства. В модели девиаторная часть тензора деформаций определяет изменение формы элементов породного массива в процессе разрушения. Шаровая часть тензора деформаций характеризует изменения объема и проницаемости порово-трещинного пространства и определяется величиной минимальных главных деформаций элементов модели. Обоснованы параметры расположения, объемов и проницаемости порово-трещинного пространства в массиве пород. Шахтными исследованиями установлено, что в местах дислокации геологических нарушений концентрация дочернего продукта распада радона α-излучения полония (Po218) возрастает более чем в 2 – 4 раза по отношению к среднему по выработке значению. На базе указанного критерия предложено использовать радиометрический мониторинг горных выработок для выявления локаций вновь образовавшихся в процессе деформирования систем трещин в качестве одного из элементов метода комплексного контроля состояния породного массива. Научная новизна. Впервые на базе параметров ориентации систем трещин техногенного происхождения и шаровой части тензора деформаций установлены закономерности изменений формы и объемов порово-трещинного пространства на различных этапах отработки смежных лав. Дальнейшее развитие получил метод контроля безопасного состояния горных пород, который отличается использованием установленных взаимосвязей между изменениями параметров систем трещин и изменениями активности α-излучения отдельных изотопов радона, концентраций метана и их соотношений. Практическая значимость. Научные результаты использованы при разработке аналитико-эксперимен-тального метода контроля безопасности производственной среды шахт.